导语：3月18日下午，中国科学院上海分院副院长、量子卫星总指挥王建宇做客文汇讲堂，介绍“墨子号”的成功经验，解读中国式科技创新。在对话环节，王建宇与中山大学天文与空间科学研究院院长李淼就“墨子号”、量子信息学研究、量子技术民用的可能性等问题精彩交锋，为观众带来了一场人文解读科技前沿的学术盛会。

 

整理丨丁怡、袁圣艳、张师楷、李念

 

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美国、欧共体某些项目的居前与丧失优势与科学决策机制有关

 

李淼：王院长的演讲多次提到了中国当前科研决策中的“国家行为”，它的优势非常有利于做像“墨子号”这样先锋式的探索和实验，这一点我感同身受。第一颗先导卫星“悟空号”，也得益于这种机制。华裔科学家丁肇中先生在美国主导探测暗物质的AMS02实验，但在今天的美国确实很难发射这样一颗卫星。特朗普近日已宣布要要削减卫生、健康、科学和技术领域的经费。

 

在美国，通常是科学家提出计划，然后层层上递到国会和总统，或许还会遭遇政见不合的拉锯战，欧洲则需要整个欧共体来集体决策，执行力就会大大下降。就我的研究领域，一年多前美国人探测到了引力波，这是在地面的实验，他们想到太空去做实验已经申报了20年，在欧共体也是两年前才刚刚通过。这说明中国在决策方面有一定的优越性。

 

国家支持、开放政策、多元平台确保了我们决策的先进

 

王建宇：国家刚刚加大科研力度时，不少人抱怨我们的科技比较浮躁，西方国家如何鼓励原创。通过“墨子号”工程，很多人改变了这种认识。这几年，中国的科技发展确实特别快。2000年以来，我参加的科学院院工作会上，以往达到一般国际先进水平的项目就可以上会讨论了，这两年要看是否国际领先。

 

除了国家支持外，还得益于我们的开放政策，像李淼老师这样的海归都回来了，在国外单独做和在国内大家一起做还是不一样，很多新的东西层出不穷，科技的合作优越性又体现出来了。

 

另外，美国的审批制度中有时未必完全是科学性在起作用，夹杂着政治和利益斗争，但在中国，至少从科学家到领导人，都是视该科研是否真正在国际前沿，能否真出结果为标准。

 

我很幸运，2007年经科学院院领导介绍认识了潘院士，并开始合作。半年不到，科学院就启动有史以来最大的一个项目来验证此事的可行性，而且一下子就组织一个队伍，这种速度和方法在国外是不太可能的。

 

在激光领域和半导体领域，中国从落后不多到丧失商机

 

李淼：中国科学和专家体量越来越大，要想在科学上引领，国家就必须选一些有可能突破的方向支持，“墨子号”是罕见的领跑的方向之一。这里也有一些历史经验和教训。中国人在美国人之后一年做出激光器，后来没有持续经费的支持，就丧失了科学和商业的先机；半导体，我们本来也不落后多少，但是没有选择性跟上，现在中国芯片60%是进口。量子计算和量子通讯，现在尽管在实验室阶段，但如果有持续支持，直到突破实现民用，会为国家带来巨大的改变。

 

目前做实验的时间有限，地球同步卫星是下一步目标

 

李淼：我现在更多时间在做科学普及和科学传播。请教王院长，“墨子号”在天上做实验时，每次通讯可以持续多长时间？传输比特量多大？

 

王建宇：现在用的是太阳同步轨道卫星，绕地球转一圈大概100分钟，每天一个地方只过两次，白天一次，晚上一次。做通讯实验有两个条件，第一卫星要看得到；第二背景不能太亮。因此，每个地面站一天最多做一次实验，最长10分钟左右，多的几百秒，少则几十秒，甚至十几秒。多少比特量？原来设计指标是要超过每秒1K，后来做得比较好，能达到每秒到十几K，小规模的密钥应用已经够了。如果每年能产生1G的密钥，就能满足国家很多方面的需求了。

 

如何突破？需要设计一个中高轨卫星，高度到36000公里，我们称之为地球同步轨道卫星。卫星像灯一样一直挂在空中，就可以随时使用了。白天能否做？可以考虑用极窄光学滤波或者隔离技术，把光滤波器的带宽做得极窄，就有可能。这两个技术有待于今后几年突破。

 

四个基站三层目标的不断挑战，完全领跑于国际

 

李淼：为什么要建四个基站（注：“墨子号”工程在地面有四个接收站）？

 

王建宇：有一个过程。2007年潘建伟院士设的目标只是能做成世界第一个密钥分发；2011年地面青海湖实验做得很成功，科学家要求就提高了。他说，量子纠缠中“贝尔（Bell）不等式破缺”的验证是全世界瞩目的难点，我们能否放上去做？我说风险非常大。他说作为拓展项目，言下之意就是失败了也没有关系，我就答应了。过段时间他看做得很好又说，能否把隐形传态也做进去？这叫额外任务。科学院签任务书，第一、第二项做到是完成任务，三项都完成就叫做圆满完成任务。蒙上帝眷顾，我们都做成了。

 

密钥是从天上往下发，要进行量子为密钥的通信演示，因此至少在地上放两个站；第二个是我们怕实验时间不够——地面点时间会比较多，实验机会就加强了。选择西边的三个站，就可以两两成对做纠缠实验，这样做纠缠分发就多一倍的机会，这是非常关键的。做纠缠天上要有两个发射机，万一有一个发射机不能正常工作，我们还能把一个测量端放在天上，单边纠缠还能做成，这些都是为了提高可靠性。

 

“三只鞋上月球”的比喻来理解隐形态传输原理

 

李淼：我解释一下量子不可克隆定理。

 

在经典物理学中，东西都是可以克隆的，比如一张报纸，无论黑白、彩色都可以复印出来；这眼镜挺好看的，在工厂里面可以“山寨”。这些都是经典克隆，但量子不可克隆。在微观世界，任何一个基本粒子在什么地方，有多大速度完全不确定。如果一个客体是不确定的，物理上证明不能克隆，那么技术上压根是不可行的。

 

要想把光子偏振克隆到另外一个光子上是做不到的。打个比方，经典世界左脚鞋永远是左脚，右脚永远是右脚的，量子鞋可能是左脚也可能是右脚，也可能来回变化，我就没有办法克隆，这也是量子克隆难以窃听的最根本的原因。

 

把一个粒子比喻成鞋，我想把右脚皮鞋送到月亮上去，但量子不可克隆，怎么送？没有办法送不可克隆的东西。但是隐形态传输想了20多年，想出了一个非常绝妙的办法。我先找一对量子皮鞋——一定是一只左一只右。我把其中一只送到月球上，我不知道左右，但是量子纠缠告诉我们一定是一只左一只右。而第三只皮鞋，是我本来想送上去的，我不送，因为我已经送了一只皮鞋，一对量子皮鞋一只留在我手里，另外一只送到月球上，现在拿第三只皮鞋不管是左右，我想送到月球上，把第三只皮鞋跟我手里其中一只比较，全是右，显然月球的是左脚，就让月球的翻过来。如果第三只皮鞋是左脚，我手里面本来有一只，假定是右，一看肯定是一左一右，这个好理解，因为第三只鞋和留在手里的配对了，而月球上的那只本来也和留在手里的鞋配对。说起来很简单，道理很深。

 

隐形态投入民用将实现了不起的破坏和恢复

 

王建宇：能否举个例子，隐形传态如何真正进入应用？

 

李淼：如果我想传输的系统是量子态的，比如量子态的我传输到另一个地方，必须在这个地方把我破坏掉，把破坏掉的信息通过我刚才说的三只鞋的故事分发到另外一个地方去，另外一个地方可以把我的态或者我的人完全恢复。这告诉我们两件事，量子态的我不可能拷贝成两个李淼；如果想把我传输到外地去，必须把本地李淼毁灭掉，第三个地方恢复。如果可以实现的话非常了不起。

 

量子计算机可能在50年左右实现

 

王建宇：一位资深专家说，量子计算机可能是明天做出来，也可能是一千年以后做出来，怎么理解？

 

李淼：算盘是经典计算机，计算机是体量、容量放大的算盘，电路里面每个逻辑门开和关就是算盘里面的算盘珠。算盘珠只有两个态，出现和不出现，而量子计算不是算盘珠了，它的不确定性原理决定了量子有无穷多个态，可出现也可不出现，概率就在0和1之间，累加后会有很多很多量子比特。如果把经典计算比喻成走迷宫的一条道，那迷宫只有一条道走出去，量子计算是同时走所有的道，像1可出现也可不出现，也可同时出现，但是概率不一样，你可同时走所有的可能性。以倒水为例，这杯水尝试了所有道，量子计算就是倒一杯水的过程，肯定有一条效率最高的通道。

 

到底何时可以实现，最近我比较乐观，要做量子计算要到微观层面上实现量子态，而且保留足够长的时间，把计算过程完成对科学家是最大的挑战，有可能计算尚未完成，量子态就会破坏掉，现在用离子阱可让量子态保留足够长时间。我预测10年实现不了，应该是50年之内。

 

现场互动

 

是否纠缠目前依然难以证明，但纠缠态的应用已成熟

 

中国科学院上海分院在读博士生林榕梅：怎样判断两个物质是否发生了量子纠缠？

 

王建宇：量子纠缠现象存在于微观世界里面，物理学家经常说因为存在于微观世界，所以在宏观世界里面看不到，可究竟微观世界和宏观世界分界线在哪里，目前为止在理论上中没有一个物理学家能准确回答出来这个问题。如何知道两个任意量子之间究竟纠缠不纠缠？我们可以来测量。而在实际操作过程之中，更有意义的是我们可以想办法产生出一对纠缠的量子态，再用这些纠缠态的量子解决我们实际过程中所需要解决的问题。比如量子定位中，如果用纠缠态测量时间，精度就会高于通常的办法。

 

李淼：我认为在原则上目前为止确实无法确定两个量子是否纠缠，但是像王院长所说，即使不知道为何纠缠也可以设计产生纠缠对。每产生一对光子，我们就可以让它们纠缠起来，在物理原理上就是产生一对球对称的光子，让它们一个自旋向上一个自旋向下。产生量子的过程可以比作我们生产鞋子时，不需要知道生产的到底是左脚还是右脚的鞋子，而只需要在工序上保证一直是左右脚的鞋子交替生产的就可以了。至于检验是否纠缠的办法，就是贝尔不等式被破坏的实验。

 

量子力学和佛学没有任何关系

 

康华互联网医院医生陈文普：有人说现在的量子理论和古代中国讲的阴阳、风水、易经等观点有相似之处。而现在也有很多人宣称要将量子理论应用到了生命科学和医学等领域，是否可信？

 

李淼：王院长演讲中已明确了，目前并不存在所谓的量子医学、量子生物学等方面的学科研究。医学是一门经验科学，是一个系统学。中医一定要和量子力学扯上关系，我认为在逻辑上并不成立。至于量子理论和传统中国文化之间的关系，我已经应“文汇笔会”之邀，写了一篇量子力学和佛教之间的关系的文章，具体内容不久会呈现，观点是量子力学和佛学没有任何关系。

 

量子力学并非颠覆牛顿力学，而是扩大了物理包容范围

 

华东理工大学硕一学生侯志伟：量子力学提出以后，很多人都认为是打开了一个“潘多拉魔盒”。我想请问量子力学理论是否对微积分学，经典物理学构成了颠覆性的威胁？

 

王建宇：我觉得量子力学的出现并没有否定牛顿力学，它们产生冲突的原因只是因为理论覆盖的范围不太一样。可以说量子力学是比牛顿力学在更大程度上包含了物理现象，也许以后又会出来一个理论把量子力学包含进去，这就是科学发展的一个过程。但我们并不能因为量子力学的出现而说牛顿力学是错的，它对宏观世界的描述依然是正确的。比如航天工程领域，在计算轨道运行时我们就会用到牛顿力学的知识。

 

李淼：我也觉得量子力学的出现并不意味着对经典理论有颠覆性威胁，从实际运用的角度来说，量子力学应用到的几大领域，比如激光发射器、半导体、核磁共振等技术，都是量子力学和其他诸如微积分、牛顿力学等理论融合起来才生产出来的产品，它们可以互相合作。缺了任何一种学说，我们今天都不会享受到这么先进丰富的科技成果。

 

真正一流的科研人才，核心的工作支撑在中国国内

 

美国密歇根州某大学员工郑康妮：目前中国国内的制度相对比较优化，有何措施能够吸引更多国外的科技人才回国工作，避免人才的流失和浪费？

 

王建宇：我认为从某种意义上来说，现在应该是“回收”送到国际上的中国人才的时候了。国家已出台了许多政策，如“百人计划”、“千人计划”、“万人计划”等，都是为了吸引国外的学者回到国内发展。当然也要预防因为看到经费丰厚而回国的投机。

 

我很多同学都曾在或在国外学习生活，李淼老师应该也深有体会。一方面，在前期，你的科研工作会进展顺利，生活优越，但一定阶段便会遭遇门槛，受到许多质疑，很难进入核心部门，除非非常拔尖。像潘建伟这样顶尖的科学家，真正要做出让全世界轰动的科研成果，一定要回到国内才可行，因为这样强度的重大支持在国外是很难得到的；另一方面，目前祖国的大门向海归敞开，部分科研工作者如果暂时不能全职回来的话，或者配偶、子女还愿意在国外，国家也有很多非常灵活的政策。

 

李淼：“青年千人计划”中提及一些政策非常吸引人。不过有一个问题，不属于该计划范围内的海归，国家应该考虑出台新的政策。

 

科研的动力在于应用，量子通信投入民用并不遥远

 

华东师范大学哲学教师佟珊：在人类发展的过程当中，一种是统治秩序，一种是目标秩序，我比较担心的是墨子号或者量子力学的未来发展，会否造成马尔库塞说的“单向度的人”，因为民众本身不太了解技术在未来对个体幸福走向的影响？

 

王建宇：科学研究最早起源于人类对自然的好奇。社会发展到现在，如果回望人类对自然的认识，可以发现仍然只是很小的一部分。这也是目前科学工作中花时间花财力和精力去做研究的一大动力。如果科研成果一直是无用的状态，这个研究也不会长久持续。正如《科学美国人》杂志对创新的评论：最伟大的创意往往也伴随着最高的风险，但一个创意从引人发笑到变成大势所趋，往往用不了多长时间，而其中有一些，显然会带来变革。如今过了七八年，中国的产业界已经看到了量子力学发展的契机，一切都比预料的来得快。

 

当然，目前中国大多数人对量子通信还不太了解。国内也需要像像李淼老师这样的学者进行科普宣传，让大众了解量子力学究竟是什么，这也会推动科技的发展。

 

我认为量子进入到个人使用层面的时间可能也不会很遥远，到某一天，可能每个pos机都会产生量子密码，这个密码甚至你自己都不知道，也就不会存在各种盗刷事件了。

 

解决科学带来的“人的单向度”异化，仍需要科学

 

李淼：回望过去两百多年的工业化历程，我们一直在担心，人是否会被科技成就和工业革命带来的成果所异化？的确科技发展带来许多现代病，人可能真的会被科技所塑造。

 

但是，我个人觉得解铃还需系铃人，要改变科学带来的异化实际仍需要科学。举个例子，回国后我很少开车，一定程度上有所不便。但是共享经济又把我们解放出来。人的选择从最初的单一变成多元化，就变得更自由了。

 

对于科技的未来，我个人非常乐观。随着技术的日益发展，个人可以节省大量时间去喝咖啡、聊天、娱乐。别人可以帮我做事，我也可以帮别人做事，但是我的工作效率提高了，人实际得到了很大的解放。如果量子计算可以实现，解放度更大了，可能工作一个小时就够了。当然这也会带来一些其他社会问题，今天暂且不谈。

 

新的城市化、科技革命带来的新问题，但是我相信社会和科技生活会最终会解决它们。

 

注：本文经许可转载自“文汇讲堂”。